全液压矫直机液压伺服电机控制非对称缸建模与仿真

全液压矫直机液压伺服电机控制非对称缸建模与仿真

0比例伺服阀比例阀控制非对称缸厚板热交换机是安装在冷床上后，确保板的刚度，并消除剩余力的板精处理设备。近年来,随着用户对板材的宽度、厚度和材料的需求范围的提高,对各种板材平直精度的要求也越来越高,而进入矫直机的钢板温度不恒定、屈服强度增加、板材各种不可控变形的增加等问题的出现,均要求矫直机强度大、刚度高、伺服控制精确。但是,传统的机械压下矫直机,矫直力小,控制精度不高,响应速度慢,所以使得全液压矫直机的使用成为了必然。非对称液压缸具有工作空间小、构造简单、结构紧凑等优点,因此,矫直机的液压伺服系统多采用非对称缸的型式。如果采用对称阀控制非对称缸的结构,会使得在液压缸换向时产生较大的压力突变,而且使得控制系统变得复杂,所以矫直机采用非对称阀控制非对称缸的结构。近年来,随着研究的深入,比例阀的性能越来越好,逐渐向伺服阀靠近,出现了比例伺服阀,比例伺服阀没有伺服阀对污染那么敏感,阀口压差损失也比较小,价格也比较便宜,且继承了伺服阀没有零位死区,响应频率高等优点。文献对非对称阀控制非对称缸系统进行了静态和动态特性建模分析,并对得到的传递函数进行了验证,但没有明确区分非对称阀控制非对称缸系统在控制电压正负不同时,即对应矫直机压下和抬起时系统不同的特性,而且它针对的是伺服阀。本文对基于高频响非对称比例伺服阀控制的非对称缸液压伺服系统的动态特性进行了分析研究。1直机混凝土网络系统的建模1.1系统的基本控制原则非对称阀控制非对称缸系统原理如图1所示。它主要是由零开口高频响非对称比例伺服阀与非对称液压缸组成。1.2矫直机液压缸系统的流量连续性方程当阀芯控制电压U>0时,伺服阀的流量方程为当阀芯控制电压U<0时,伺服阀的流量方程为由液压缸活塞的运动协调性,即活塞缸左侧和右侧的油液运动连续,且运动位移、速度一致,并且泄漏及液体的容积效应所引起的流量变化远小于活塞运动所引起的流量变化可得,在矫直机液压缸运动过程中,其液压缸的流量连续性方程可以近似为设负载流量为设矫直机液压缸的负载压力为分别联立式(1)~式(5),阀芯控制电压U>0时,可得阀芯控制电压U<0时,可得联立式(1)、式(2),阀芯控制电压U>0时,可得阀芯控制电压U<0时,可得1.3液压缸有杆腔容积的确定对于实际的矫直机液压缸,也分两种情况:液压缸无杆腔进油有杆腔出油(对应矫直机是压下过程,这时液压缸活塞位移y>0),即U>0;液压缸有杆腔进油无杆腔出油(对应矫直机是抬起过程,这时液压缸活塞位移y<0),即U<0。并且为了计算准确,规定无论无杆腔或有杆腔的油液是流进还是流出,都取其绝对值的大小,即只考虑其流量的大小。式中,V1为液压缸无杆腔容积;V2为液压缸有杆腔容积;K为液压油的等效体积模量;y为伺服液压缸活塞位移;ce为液压缸的外泄漏系数;ci为液压缸的内泄漏系数。设V1=V10+A1y,V2=V20-A2y,V10、V20分别为液压缸无杆腔和有杆腔的初始容积,考虑油液的压缩特性及液压缸的动态响应特性,当取时,系统的频率响应最低,其中,Vt为伺服液压缸的总容积。代入式(6)可得联立式(10)~式(12)可得设综合泄漏系数为故式(13)可以简化为当阀芯控制电压U<0时,无杆腔流量为有杆腔流量为对式(7)求导可得联立式(14)、式(16)、式(17)、式(18)可得1.4泄漏系数的确定液压缸的力平衡方程为式中,m为液压缸等效负载质量;μv为液压缸活塞等效黏性摩擦因数;FL为负载外力。矫直机在压下或抬起过程中,其上辊系可以认为是刚性的,即负载的等效弹性系数E=0。联立式(5)、式(20)可得由于液压缸的内泄漏系数ci最大值一般取1×10-9m3/(s·Pa),而液压缸的外泄漏系数ce最大值一般取1×10-11m3/(s·Pa),实际的泄漏或者会更小,所以综合泄漏系数,可以忽略。联立式(8)、式(15)并整理可得分别将式(21)、式(22)进行拉氏变换并整理得到,当阀芯控制电压U>0时,有联立式(9)、式(19)并整理得分别将式(21)、式(24)进行拉氏变换并整理得到,当阀芯控制电压U<0时,有2实验开环系统仿真本实验室于2009年开始投资建立一台全液压矫直机,此矫直机液压伺服系统的比例阀型号为4WRDE16V1-125L-5X/6L24K9/M,液压缸尺寸为Ф580/420-370,液压伺服系统的工作介质为矿物油ISO-VG46,位移传感器型号为RHM0420MD701S2G1102(MTS)。对上述高频响非对称阀控制非对称缸系统进行建模并进行开环系统仿真,图2、图3分别为给定电压为2.5V和-2.5V时的开环系统位移响应曲线。从图2与图3可以看出,上述所推导的传递函数在系统开环动作时,符合实际情况,即全液压矫直机在压下与抬起时的系统传递函数是不一样的,在同样的给定控制电压2.5V下,抬起时的速度为16.6mm/s,压下时的速度为12.4mm/s。图4为通过PID参数(比例系数P=1.5,积分系数I=1.0,微分系数D=0.01)整定后,系统在斜坡信号r(t)=10t作用下矫直机抬起时缸的位移响应曲线。通过比较给定位移曲线与实际位移曲线可以知道,系统的位移响应存在稍微的滞后,但是其跟踪速度基本保持在10mm/s左右,其位移精度和速度精度都在工艺要求之内。说明了本文所建立传递函数系统的闭环响应的快速性和稳定性,从而进一步说明了上述传递函数的正确性。图5为实验室全液压矫直照片,图6为实验室矫直机液压缸从10mm压下到60mm的位移响应曲线。从图6可以看出此液压伺服系统响应过程的稳定性和可靠性,从而进一步证明了本文所建系统的正确性和稳定性。3非对称阀控制的液压系统本文建立了基于高频响非对称比例伺服阀控制非对称缸的液压伺服系统模型,其传递函数模型具有普遍的实际意义。从工程实际出发,以阀芯电压为输入信号,以液压缸位移为输出信号,建立了液压缸全液压矫直机压下和抬起的不同传递函数模型,其对于轧机、矫直机等非对称阀控制非对称缸的液压系统的应用和控制系统设计具有指导意义。仿真结果表明,此方法建立的传递函数是正确的。并且,以此方法为基础建立的伺服控制系统已在实验室全液压矫直机上得到成功应用,从而进一步验证了此传递函数系统的正确性。式中,Kq1为液压缸无杆腔滑阀的流量系数;Kc1为液压缸无杆腔滑阀的流量压力系数;Kq2为液压缸有杆腔滑阀的流量系数;K